Source: NICT website, “Ionospheric observations using ionosondes”
前言——電離層與「C 層」之謎
電離層是地球高層大氣中，因太陽輻射而產生電離的區域，已知具有由下而上的層狀結構，即 D 層、E 層與 F 層（在白天，F 層會進一步分裂為 F1 層與 F2 層）。然而，令人感到奇特的是，在字母順序上位於前面的 A 層、B 層、C 層卻並不存在。
「為什麼 C 層不存在？」這個問題，其實與電離層研究本身的歷史發展密切相關，是一個相當耐人尋味的謎題。
本文將回溯電離層研究的黎明期，追溯各層被發現與命名的過程，藉此回答這個問題。同時，也將整理各個電離層（D、E、F 層）的電離特性、日變化與季節變化，以及它們在電波傳播中的角色與限制。最後，本文將介紹一種特殊的現象——散發性 E 層（Sporadic E layer，簡稱 Es 層），說明其物理特性、形成機制與對通訊的影響。雖然內容偏向專業，但將以敘事方式進行說明。
電離層發現史——從 E 層開始的故事
約在 120 年前，無線通訊實驗家古列爾莫・馬可尼於 1901 年成功完成橫跨大西洋的無線電通訊（由英國向加拿大傳送無線電報），證明電波能夠傳播到地平線之外的遙遠距離。由於電波，特別是較高頻率的電波，被認為主要沿直線傳播，理論上無法沿著地球曲面繞行，因此能夠傳到約 3500 公里外的現象，令當時的科學家們震驚不已。
1902 年，英國物理學家奧利佛・赫維賽德（Oliver Heaviside）與美國工程師阿瑟・肯納利（Arthur Kennelly）分別獨立提出假說，認為地球上空應該存在一個能反射電波的層。他們推測，太陽的某種作用會使高層大氣形成可導電的區域，讓電波得以反射，從而實現遠距離傳播。這個假想中的層後來被稱為「肯納利–赫維賽德層」，但當時尚無任何直接的實驗證據。
約二十年後的 1924 年，這個假說終於被證實。進行實驗的是英國物理學家愛德華・維克多・阿普爾頓（Edward Victor Appleton）。阿普爾頓在英國廣播公司（BBC）無線電台的協助下，於深夜進行實驗，透過週期性改變發射頻率，分析地表波（沿地表直接傳播的電波）與天空波（在高層大氣反射後到達的電波）之間的干涉現象，藉此推算反射高度。
結果顯示，在約 100 公里高度存在一個能反射電波的層。這是人類首次以實驗方式證明電離層的存在。阿普爾頓也因這項成就，後來獲得諾貝爾物理學獎。這個被確認的層，正是肯納利與赫維賽德所預言的那個層，如今被稱為 E 層。
當時這個層也被稱為「肯納利–赫維賽德層」，而在 1926 年，阿普爾頓的同事羅伯特・華森–瓦特（Robert Watson-Watt）提出用「電離層（ionosphere）」一詞，來統稱這整個被太陽輻射電離的高層大氣區域。
那麼，為什麼會命名為「E 層」呢？原因其實來自阿普爾頓的實驗習慣。在討論電波反射時，他在圖中以字母 E 表示向下傳播的電場（Electric field）。最先被確認的反射層，恰好對應到這個標記，因此他便直接將字母 E 用作該層的名稱。這雖然有些偶然，但結果卻成就了「E 層」這個名稱。
D 層與 F 層的發現與命名—「C 層」為何不存在
阿普爾頓的研究並未止於 E 層。約在 1925～1926 年間，他發現 E 層之上還存在另一個更高的電離層。在冬季夜間的實驗中，探測到了來自 100 公里以上高度的反射回波，顯示在約 250 公里附近存在另一個層。依照先前的慣例，阿普爾頓在圖中以字母 F 表示該層的反射電場，並將其命名為 F 層。這個命名同時也隱含了「位於 E 層之後（Follow-on）」的意思。
這個 F 層最初也被稱為「阿普爾頓層」，被視為位於 E 層之上的強電離區域。1926 年，阿普爾頓確認了 F 層的存在，為短波通訊的飛躍性發展奠定了基礎。
另一方面，E 層之下的電離現象也逐漸受到注意。阿普爾頓在實驗中偶爾偵測到來自極低高度的微弱反射。進一步分析後發現，在約 60～90 公里高度存在電離層。1931 年，阿普爾頓正式報告了這個低層電離區，並將其命名為 D 層，表示它位於 E 層之下（Down）。換言之，它在字母順序上位於 E 之前。
就這樣，電離層由下而上的三個主要層——D、E、F 層——依序被發現。然而，為什麼沒有 A、B、C 層呢？這個問題的答案，其實來自阿普爾頓本人。
他在晚年回顧命名過程時提到，自己刻意避免使用 A、B、C 這些字母，因為他認為未來可能還會發現其他層，無論是在更高或更低的高度。若一開始就從 A 開始命名，將來可能導致混亂。因此，他乾脆沿用實驗中暫時使用的 D、E、F 標記，作為正式名稱，為未來的發現保留空間。
結果顯示，在 D 層之下並未再發現具有顯著影響的電離層，因此 A、B、C 這三個字母最終永久空缺。換言之，電離層在命名上是「從 D 層開始」，而不是物理上遺漏了什麼。
在少數情況下，「C 層」一詞偶爾會出現在文獻中，用來指稱約 50 公里高度、由宇宙線主導電離的區域（Cosmic-ray layer）。然而，該區域的電子密度極低，對電波傳播幾乎沒有影響，因此在傳統意義上並不被視為真正的電離層。實際上，可以認為 C 層並不存在。
電離層各層的特性與電波傳播中的角色
電離層由 D 層、E 層與 F 層所構成，各層在高度、電子密度、形成機制，以及與電波的相互作用方面皆有顯著差異。理解這些差異，對於掌握電波在電離層中的傳播行為至關重要。以下將依序整理各層的電離特性、日夜與季節變化，以及在電波傳播上的功能與限制。
圖 1 為電離層結構的示意圖，比較了白天與夜間的狀態。白天時，太陽輻射使 D 層生成，E 層與 F 層的電子密度增加，且 F 層會分裂為 F1 層與 F2 層。夜間則因太陽輻射消失，D 層消滅，只剩下 E 層與單一的 F 層。由於電離層厚度與電子密度在日夜之間有極大差異，電波傳播方式也隨之發生變化。
D 層——低高度（60–90 公里）的電離層
D 層是距離地表最近的電離層，形成高度約為 60～90 公里，主要在白天由太陽的強紫外線與 X 射線所產生。具體而言，氫萊曼 α 線（波長 121.5 nm）對一氧化氮（NO）的電離是主要來源；在太陽閃焰發生時，硬 X 射線亦會造成顯著電離。D 層僅在日照期間形成，日落後電子密度迅速降低，夜間幾乎完全消失。換言之，D 層是一個「只在白天存在」的電離層。
D 層另一個重要特徵，是其對電波的影響以「吸收與衰減」為主。在約 70 公里高度，大氣密度仍相對較高，自由電子與中性分子的碰撞頻率極高。當電波通過 D 層時，電子會被迫振盪，但很快因碰撞而失去能量，這些能量損失累積起來，表現為電波能量的吸收與衰減。
此衰減效應在低頻時尤為顯著，衰減量大致與頻率平方成反比。換言之，頻率提高一倍，衰減量約降為原來的四分之一。在實際傳播上，長波（LF）於白天會在 D 層反射；中波（MF，例如 AM 廣播）在白天穿越 D 層時會受到強烈吸收，使可接收距離縮短至數十公里。夜間 D 層消失後，中波得以到達 E 層並被反射，因此可傳播數百至上千公里，這正是夜間 AM 廣播能夠遠距接收的原因。
短波（HF）電波通常可穿透 D 層，主要在 F 層反射，但在通過 D 層時仍會產生不同程度的損耗，導致白天與夜間可使用的頻率範圍不同。此外，D 層對極低頻（VLF，30 kHz 以下）電波仍具有輕微的折射能力，夜間即使 D 層消失，仍殘留足以影響 VLF 傳播的微弱電離。整體而言，D 層不像一面反射鏡，更像是一個「電波濾波器」，尤其限制了白天長波與中波通訊。
E 層——中高度（約 100 公里）的反射層
E 層位於約 100～120 公里高度，歷史上即為肯納利–赫維賽德層。其主要電離來源為軟 X 射線與極紫外線（EUV），對氧分子（O₂）與氮分子（N₂）造成電離。相較於 D 層，E 層高度較高，大氣密度較低，電子與分子的碰撞頻率大幅降低，使得電子能量損失較小，電波的再輻射效應成為主導。
當電波進入 E 層後，隨著電子密度逐漸增加，電波會持續折射，最終彎折向下返回地表，外觀上如同被 E 層「反射」。
E 層在電波通訊中具有重要地位。夜間，中波可由 E 層反射而進行遠距傳播；對短波而言，在垂直入射時通常於 E 層反射，其白天臨界頻率約為 3～4 MHz（實際值會隨電子密度變化）。高於此頻率的電波則可穿透 E 層進入 F 層。也就是說，短波頻段的低頻部分在白天即可由 E 層反射，形成數百公里尺度的跳躍式傳播。
夜間，E 層電離度大幅下降，幾乎消失，短波通訊遂主要仰賴 F 層。然而，E 層高度仍殘留少量電子，對低頻短波仍會造成些微衰減。就季節變化而言，E 層在夏季白天的電子密度通常高於冬季，主要反映太陽高度角與日照條件的差異，這一點與 F 層的行為形成對比。
F 層（F1、F2 層）——高高度（150～400 公里）的通訊核心
F 層是電離層中高度最高、對長距離通訊最為關鍵的一層，分布於約 150～400 公里高度。白天時，因電子密度高，常分裂為下層的 F1 層（約 150～220 公里）與上層的 F2 層（約 220～400 公里）。F1 層可視為電子密度分布中的「肩部」，在夏季白天尤為明顯；夜間兩者則合併為單一 F 層。
F 層的電離主要來自真空紫外線與極紫外線（約 100～1000 Å），其中對原子氧（O）的電離尤為重要。整個電離層的電子密度最大值通常出現在 F 層，尤其是 F2 層。
F 層對無線通訊的重要性難以誇大。由於高度極高，電波只需在 F 層反射一次，即可完成極長距離的傳播。短波通訊正是依賴 F 層，才能實現跨洲甚至環球通訊。其反射機制與 E 層相同，皆為隨高度連續折射，但因空氣密度更低，電子與中性粒子的碰撞損失極小，電波衰減也極低。
例如，在適當的時間與頻率條件下，即使僅有數十瓦輸出功率的短波發射機，也能將訊號傳送至地球另一側，這在業餘無線電實務中屢見不鮮。F 層的臨界頻率高度依賴太陽活動，在太陽黑子數多的時期可超過 10 MHz，而斜入射時的最大可用頻率（MUF）甚至可達數十 MHz；相反地，在深夜或太陽活動極小期，臨界頻率下降，高頻短波通訊會變得不穩定。
F 層亦呈現明顯的日夜變化。白天電離強烈，夜間電離源消失後電子密度下降，但因高空再結合速度緩慢，其速率僅為 E 層的約四分之一，因此夜間仍殘留大量電子，使短波通訊得以持續，只是使用頻率需降低。
F2 層還存在一個有趣的季節現象——冬季異常。與 D 層與 E 層在夏季較強、冬季較弱不同，F2 層在白天時反而可能於冬季呈現比夏季更高的電子密度。其原因在於冬季高層大氣冷卻收縮，使較重分子下沉，F2 層高度則富含較易電離的原子氧，導致電子密度上升。然而夜間因日照時間短，冬季電子密度仍較低。此外，約 11 年週期的太陽黑子活動亦深刻影響 F 層，使其在極大期顯著增強，在極小期減弱。
由於其高度與規模，F 層對全球通訊具有決定性影響，可視為電離層中最重要的層。
散發性 E 層（Es 層）——突發性的電離雲
除了正常的 E 層外，電離層中還存在一種不規則且極具特色的現象，即散發性 E 層（Sporadic E layer，Es 層）。Es 層顧名思義是「突發性出現」的 E 層，發生高度與一般 E 層相同，約在 100 公里附近，呈現局部且短暫的高電子密度結構。其發生時間以春末至夏季最為頻繁，在日本尤為顯著，通常集中於 5 月中旬至 8 月上旬。
Es 層在日變化上，常於上午 11 時至中午，以及傍晚 17～18 時出現高峰，且可能連續數日於相近時刻反覆發生。然而，其空間與時間分布高度不規則。就全球而言，日本附近是強 Es 層出現頻率最高的地區之一。
Es 層最顯著的特徵在於其極高的電子密度，足以反射原本會穿透電離層的甚高頻（VHF，30～300 MHz）電波。這使得 FM 廣播與電視訊號可能被電離層反射，傳播到遠超正常範圍的距離，導致異常接收與干擾。過去日本類比電視使用低頻 VHF 頻道時，夏季畫面失真即常由 Es 層造成，因此相關單位曾多次提醒「異常傳播」的影響。相對地，對業餘無線電愛好者而言，Es 層則是令人興奮的自然現象，因其能在 50 MHz（6 公尺波段）等頻段，促成突如其來的長距離通聯。
關於 Es 層的形成機制，目前最被廣泛接受的是「風切層理論」。該理論認為，下層大氣中向上傳播的大尺度大氣波動（如重力波）會在中高層大氣形成垂直風速切變，使來自流星物質的金屬離子（如 Fe⁺、Mg⁺）在特定高度聚集，形成薄而高密度的電離層。實際觀測亦證實，Es 層中金屬離子含量明顯高於一般 E 層，支持此一模型。
然而，並非所有 Es 事件都能單靠風切層理論解釋。部分研究指出，Es 層可能與流星雨有關，但相關性仍未定論。亦有人嘗試將 Es 層與對流層氣象條件連結，例如日本業餘界曾流傳的「所羅門王法則」，認為在梅雨鋒面影響、悶熱多雲的天氣下 Es 較易發生，但缺乏物理機制支持，因此未被科學界採納。近年也有研究顯示，強烈的磁暴可能觸發大範圍 Es 層，暗示其與太空天氣現象之間存在關聯。
隨著觀測技術進步，Es 層的研究正快速發展。例如，日本研究團隊利用高密度 GNSS 接收網，成功以高時空解析度捕捉 Es 層的生成與消散過程，揭示其渦旋狀與波紋狀等複雜結構。這些成果有助於理解下層大氣與電離層之間的耦合機制，也為未來 Es 層的預測提供重要線索。Es 層的預測不僅是學術課題，更關係到通訊中斷與定位誤差等實務風險。
結語——仍在延續的物語
本文回顧了電離層研究的歷史，從早期的假說到 D、E、F 各層的發現與命名，並詳細說明了各層的物理特性與電波傳播角色。最初提出的「C 層為何不存在」這一問題，實際上源於命名上的歷史考量，而非物理現象的缺失。
D、E、F 各層各司其職，共同支撐了人類跨越地球尺度的通訊網絡；而 Es 層的存在則提醒我們，即使在研究超過一世紀後，電離層仍是一個充滿變化與未知的系統。隨著觀測手段的進步，對極光伴隨的高緯度電離層擾動、赤道電離異常等現象的研究仍在持續推進。
電離層作為連結地球與太空的界面，敏感地反映太陽活動與大氣層之間的相互作用。電離層研究的故事尚未結束，未來仍將持續帶來新的發現與理解。
參考文獻
※ 查閱日期：2025 年 12 月 20 日（JST）
Appleton, E. V. (1947).
The Ionosphere. Nobel Lecture. https://www.nobelprize.org/uploads/2017/01/appleton-lecture-new.pdf
Nobel Prize.
Edward V. Appleton – Facts. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1947/appleton/facts/
Encyclopaedia Britannica.
Ionosphere. https://www.britannica.com/science/ionosphere
國立研究開發法人 情報通信研究機構（NICT）
WDC for Ionosphere. 電離圏的基礎知識。 https://wdc.nict.go.jp/Ionosphere/conditions/01.html
國立研究開發法人 情報通信研究機構（NICT）
宇宙天氣預報中心。電離圏資訊（預報）。 https://swc.nict.go.jp/forecast/ionosphere.html
電氣通信大學（UEC）
新聞稿：關於散發性 E（Es）層詳細結構的研究。 https://www.uec.ac.jp/news/newsrelease/2025/20251114_7297.html
Kelley, M. C. (2009).
The Earth’s Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynamics (2nd ed.). Academic Press / Elsevier. https://shop.elsevier.com/books/the-earths-ionosphere/kelley/978-0-12-088425-4
Davies, K. (1990).
Ionospheric Radio. IET Digital Library（書誌資訊／DOI）。 https://digital-library.theiet.org/doi/book/10.1049/pbew031e
相關文章
■ 附註
本站另有其他文章，歡迎造訪：
